Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Расчет и проектирование цифровых радиоприемных устройств. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

АЦП

МШУ

ПФ

СМ

ФНЧ

УНЧ

Принятые

данные

РЧ

ГУН

АЦП

МШУ

ПФ

СМ

ФНЧ

УНЧ

Принятые

данные

РЧ

ГУН

Рис. 2.8. Тракты утечки сигнала гетеродина

Аналогичный эффект наблюдается также при действии мощной внешней помехи, когда возможно ее проникновение на сигнальный и гетеродинный входы смесителя (рис. 2.9), в результате чего происходит «самосмешение».

Рис. 2.9. Просачивание сигнала мощной помехи

Утечка сигнала гетеродина через смеситель и МШУ на антенный вход и его излучение в окружающее пространство создают в рабочем диапазоне частот помеху для других радиоприемников. Поэтому в радиоприемных устройствах вводят ограничения на уровень сигнала гетеродина на антенном входе, чтобы соответствовать требованиям электромагнитной совместимости. Так как частота гетеродина в радиоприемниках с прямым преобразованием располагается в пределах рабочего диапазона частот, то фильтры предварительной селекции не могут эффективно подавить излучения гетеродина. В супергетеродинных радиоприемниках проблема утечки сигнала гетеродина проявляется меньше в смесителях с подавлением зеркального канала, потому что частоты их гетеродинов обычно находятся вне рабочего диапазона частот.

Кроме этого, излучаемый сигнал гетеродина может быть отражен различными стационарными или движущимися объектами и возвращен в антенну, как показано на рис. 2.10. При этом амплитуда и фаза отраженного сигнала имеют случайные, непрерывно меняющиеся значения, что приводит в конечном итоге к случайным неустранимым флуктуациям величины постоянной составляющей сигнала на выходе ФНЧ.

АЦП

МШУ

ПФ

СМ

ФНЧ

УНЧ

РЧ

ГУН

Принятые

данные

Рис. 2.10. Утечка сигнала гетеродина на антенный вход и его излучение

Уменьшение влияния утечки сигнала гетеродина достигается размещением РЧ приемопередатчиков в одном корпусе микросхемы, тщательной конструктивной и технологической проработкой, использованием дифференциальных схем гетеродинов и смесителей.

Так как в радиоприемнике с прямым преобразованием частоты сигнала происходит перенос сигнала на нулевую частоту, в дальнейшем необходимо производить усиление, в том числе и постоянной составляющей сигнала, содержащей важные информационные компоненты. Дрейф «нуля», возникающий в операционных усилителях, паразитное напряжение смещения уровня нуля или смещение постоянной составляющей могут исказить сигнал и, что даже более важно, перевести последующие каскады в состояние насыщения. Это явление может возникать из-за целого ряда факторов, например влияния на характеристики компонентов тракта усиления окружающей среды и, прежде всего, температуры. Кроме того, смещение постоянной составляющей возникает в результате разбаланса квадратурных каналов тракта приема, а также нестабильности амплитуды сигнала гетеродина.

Проблема смещения постоянной составляющей вследствие самосмешивания является особенно сильной, так как при этом на выходе тракта возникает паразитное смещение постоянной составляющей, величина которого зависит от фазовых соотношений напряжений наводок. Особенно сильно ухудшает помехоустойчивость изменяющаяся во времени паразитная постоянная составляющая, например, когда попадающий в антенну сигнал гетеродина излучается, а затем, отражаясь от объектов, в особенности перемещающихся, поступает опять на вход приемника.

Смещение постоянной составляющей воспринимается как помеха, что ограничивает чувствительность радиоприемного устройства. Вредное влияние смещения постоянной составляющей может быть уменьшено применением соответствующего цифрового сигнального процессора (ЦСП) или функции автоматической установки «нуля». Эффективными

ПЧСВХ

fff 

МШУ

ПФ

АЦП

ФНЧ

УНЧ

ФНЧ

УНЧ

РЧ

ГУН

90°

0°

и простыми мерами борьбы с рассмотренными явлениями могут быть правильная компоновка компонентов РЧ аналогового тракта и тщательная экранировка отдельных его каскадов.

Нелинейность усилительного тракта радиоприемника прямого преобразования заметно влияет на качество приема. В отличие от супергетеродина, в котором наиболее заметно влияние интермодуляций 3-го порядка, в радиоприемнике прямого преобразования наиболее важен учет интермодуляций 2-го порядка. Высокий уровень IP2 может быть достигнут только в балансных схемах тракта ПЧ с очень малой величиной рассогласования, что является основным требованием к ИМС.

Еще одной проблемой, связанной с применением архитектуры прямого преобразования, является проявление низкочастотных шумов, известных под названием фликкер-шума или шумов со спектром вида 1/f. Эффект влияния фликкер-шума может быть уменьшен путем совершенствования технологии ИМС, а также с помощью тех же мер, что используются для уменьшения смещения постоянной составляющей.

2.3. Радиоприемник с низкой промежуточной частотой

Стремление разработчиков к созданию полностью интегрированного высококачественного РЧ блока с элементами внутрикорпусной полосовой фильтрации привело к появлению архитектуры приемника с низкой ПЧ (рис. 2.11). Основная цель ее использования состоит в защите радиоприемника от смещения постоянной составляющей, являющегося главным недостатком приемников прямого преобразования, при сохранении основного достоинства таких приемников – устранения высокодобротных фильтров ПЧ.

Рис. 2.11. Приемник прямого преобразования с низкой ПЧ

Приемник с низкой ПЧ в целом подобен приемнику с нулевой ПЧ, но ПЧ выбирается больше чем половина полосы частот канала, а частота

гетеродина выбирается равной

. При таком значении ПЧ

проблема с постоянным смещением исчезает, но при этом подавление

АЦП

МШУ

ПФ1

СМ1

СМ2

ФПЧ1

ФНЧ

РЧ

ГУН

ПЧ1

ГУН

СМ2

ПЧ2

ГУН

ФПЧ2

DDC

Дем

Сетевой

интерфейс

зеркального канала квадратурного смесителя не обеспечивается обычными частотно-избирательными фильтрами.

В отличие от архитектуры с нулевой ПЧ радиоприемник с низкой ПЧ не чувствителен к паразитному смещению постоянной составляющей, утечке гетеродина, имеет меньшие интермодуляционные искажения 2-го порядка. Низкое значение ПЧ также дает возможность производить последующую обработку сигнала различными способами, например в цифровом виде.

Для подавления зеркального канала в этом случае применяется фазовый метод компенсации. В настоящее время подавление зеркального канала фазовым методом не превышает 40 дБ и ограничено величиной внутрикорпусного рассогласования квадратурных каналов в ИМС. Отсутствие предварительной фильтрации сигналов существенно повышает требования к динамическому диапазону АЦП. Кроме того, при использовании архитектуры с низкой ПЧ в широкополосных системах значительно возрастает энергопотребление устройства.

2.4. Узкополосный радиоприемник с двойным преобразованием частоты

Аналоговые радиоприемные устройства использовались в цифро-

вом телевидении, персональной мобильной связи, а также сотовой мобильной связи 1-го поколения. Все основные задачи в аналоговых радиоприемных устройствах решались аппаратными методами. Широкое распространение аналого-цифровых преобразователей, цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), цифровых сигнальных процессоров, а также повышение требований к спектральной эффективности привело к появлению гибридных аналого-цифровых радиоприемных устройств. Пример гибридной архитектуры одночастотного радиоприемного устройства приведен на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Одноканальное по частоте ЦРПУ

Радиоприемное устройство рис. 2.12 использует супергетеродин-

АЦП

МШУ

ПФ1

СМ1

СМ2

ФПЧ1

ФНЧ

РЧ

ГУН

ПЧ1

ГУН

СМ2

ПЧ2

ГУН

ФПЧ2

DDC

Дем

Сетевой интерфейс

Канал 1

Канал 2

Канал N

ный принцип построения с двумя преобразователями частоты. Назначение аналоговой части состоит в выделении одного частотного канала из рабочего диапазона частот и преобразовании его в полосу частот модуляции. Преобразование на 1-ю промежуточную частоту, например 140 МГц или 70 МГц, производится путем перемножения принимаемого сигнала и сигнала гетеродина LO1, а преобразование на 2-ю промежуточную частоту, например, 10,7 МГц, перемножением сигнала 1-й промежуточной частоты и сигнала гетеродина LO2. Для квадратурного преобразования в полосу частот модуляции сигнал 2-й промежуточной частоты перемножается с сигналом гетеродина LO3 с частотой, равной 2-й промежуточной частоте. После этого квадратурный сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию. Дальнейшие операции над принимаемым сигналом – демодуляция, декодирование и т.д. производятся в цифровом виде с помощью ЦСП.

Одноканальный по частоте радиоприемник естественным образом

преобразуется в многоканальный (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Многоканальное по частоте ЦРПУ

Недостатком такой архитектуры является значительный уровень

аппаратных затрат для приема большого числа частотных каналов. Высокочастотные каскады и гетеродины необходимо повторять в каждом частотном канале, что увеличивает вес, размеры, энергопотребление и стоимость конечного устройства. Такие же требования налагаются и на АЦП в каждом частотном канале. Особенно заметны недостатки анало-

АЦП

МШУ

ПФ1

СМ1

СМ2

ФПЧ1

ФПЧ2

РЧ

ГУН

ПЧ

ГУН

Аппаратная подсистема

Программная

подсистема

DDC

Дем

DDC

Дем

DDC

Дем

Сетевой интерфейс

гового радиоприемного устройства при изменении параметров радиоинтерфейса, что является характерной чертой современных беспроводных информационных систем.

Архитектуры рис. 2.12, 2.13 позволяют реализовать только узкопо-

лосную цифровую демодуляцию. Современным требованиям удовлетворяет структурная схема радиоприемного устройства (рис. 2.14), в которой все функции преобразования радиосигнала от антенны до информационного интерфейса реализуются и программируются в одной вычислительной среде с использованием единого аппаратного средства. На рис. 2.14 приведена базовая архитектура цифрового радиоприемного устройства применительно к многоканальному по частоте случаю. Архитектуру можно разделить на аппаратную и программную подсистемы. Аппаратная подсистема включает в себя малошумящий усилитель, АЦП и др., а программная подсистема является исключительно функциональной и не содержит физических устройств.

Рис. 2.14. Базовая архитектура цифрового радиоприемного устройства

в широкой полосе частот и предназначенной для замены множества приемных каналов архитектуры рис. 2.13. Преобразование частоты производится таким образом, что на АЦП подаются несколько частотных каналов, что позволяет значительно упростить аналоговый тракт радиоприемного устройства. Характер преобразования спектра сигнала отображен на рис. 2.15. Спектр группового сигнала в полосе рабочих или промежуточных частот (рис. 2.15, а) в результате аналого-цифрового преобразования переносится в область низких частот (рис. 2.15, б). Выделение спектра заданного частотного канала из спектра группового сигнала производится в цифровом фильтре DDC (рис. 2.15, в).

Аппаратная часть является завершенной подсистемой, работающей

S(f)

несущие частоты

1 2 …. N

несущие частоты

S(f)

S(f) f в

диоприемника с двойным преобразованием частоты, в котором использованы элементы архитектуры радиоприемника с нулевой ПЧ и традиционного супергетеродина, позволяющая оптимизировать потребление мощности и характеристики устройства. Блок-схема широкополосного радиоприемника с двойным преобразованием частоты показана на рис.

2.16. Эта структура похожа на супергетеродин, в котором используется несколько каскадов преобразования частоты, причем первая ПЧ имеет значения порядка сотен мегагерц.

Рис. 2.15. Преобразования спектра сигнала в ЦРПУ

2.5. Широкополосный радиоприемник с двойным преобразованием частоты

Большой интерес представляет архитектура широкополосного ра-

АЦП

МШУ

ПФ1

ФНЧ1

СМ1

90°

0°

ПЧ

ГУН

УНЧ

ФНЧ

УНЧ

ФНЧ

РЧ

ГУН

ПФ1

МШУ

ПФ2

СМ1

ФПЧ1

СМ2

ФПЧ2

АЦП

РЧ

ГУН

ПЧ

ГУН

УПЧ

Принятые

данные

Рис. 2.16. Архитектура широкополосного приемника с двойным

преобразованием частоты

Если в качестве элементов фильтрации по ПЧ использовать ФНЧ,

то такая архитектура может быть использована при разработке РЧ блока в виде одной ИМС (рис.2.17).

Рис. 2.17. Архитектура широкополосного приемника с квадратурным

преобразованием частоты

Используемый в системе полный РЧ спектр полностью преобразу-

ется вниз на ПЧ с использованием неперестраиваемого гетеродина. Так как частота этого гетеродина выбирается вне используемого диапазона, единственный необходимый внешний РЧ фильтр после антенны обеспечивает подавление зеркального сигнала. После прохождения преобразованного вниз по частоте сигнала через ФНЧ сигнал переносится на частоты информационного тракта с помощью второго смесителя, в котором производится активное подавление зеркального канала. Настройка на желаемый канал производится с помощью второго перестраиваемого гетеродина. Радиоприемник, выполненный с применением данного подхода, может быть выполнен на основе одной ИМС высокой степени интеграции, имеет малую стоимость. Кроме того, неперестраиваемый первый гетеродин облегчает разработку высокочастотного синтезатора частоты с низкими фазовыми шумами, что ведет к сокращению потребле-

АЦП

МШУ

ПФ1

УНЧ

ФНЧ

УНЧ

ФНЧ

T/4

ния мощности. Так как первая ПЧ достаточно высокая, делитель в цепи обратной связи синтезатора частоты имеет малые значения коэффициента деления, что позволяет улучшить общую характеристику фазового шума синтезатора. В этой архитектуре проблемы утечки сигнала гетеродина не существует, но заметнее эффекты смещения постоянной составляющей и интермодуляционные искажения 2-го порядка.

2.6. Радиоприемник с субдискретизацией

С появлением быстродействующих полупроводниковых структур появилась возможность использования в РЧ блоках архитектуры тракта приема с субдискретизацией (подвыборками), приведенной на рис. 2.18. Схема взятия отсчетов (выборки) заменяет смеситель в архитектуре с нулевой ПЧ. При этом РЧ сигнал дискретизируется с частотой, равной полосе частот РЧ сигнала, и преобразуется непосредственно в НЧ сигнал информационного тракта, который выделяется с помощью ФНЧ. Для формирования квадратурных сигналов на выходе радиотракта взятие отсчетов в квадратурных каналах производится со сдвигом во времени на четверть периода несущего колебания сигнала.

Рис. 2.18. Приемный тракт с подвыборками

2.7. Радиоприемник с цифровой промежуточной частотой

Развитие техники и технологии цифровых ИМС привело к тому, что заключительное преобразование частоты и фильтрация, осуществляемые в каскадах ПЧ, могут производиться уже в цифровой области. В приемниках с цифровой ПЧ происходит аналого-цифровое преобразование сигнала непосредственно на ПЧ (рис. 2.19).

DDS

АЦП

МШУ

ПФ1

СМ1

РЧ

ГУН

ЦФНЧ

90°

0º

G x

ЦСП

ОГ

Рис. 2.19. Обобщенная структура приемника с цифровой ПЧ

В качестве гетеродина часто используется синтезатор частот прямого цифрового синтеза (DDS), называемый иногда генератором с цифровым управлением (NCO). Это устройство реализовано полностью с использованием цифровой техники и выполняется в виде специализированной ИМС или реализуется программно в ЦСП или программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Для дальнейшего применения необходимо формировать цифровые выборки двух синусоид со сдвигом по фазе на 90 градусов.

Важным компонентом такого приемника является квадратурный цифровой смеситель, состоящий из двух цифровых перемножителей. Цифровые выборки входного сигнала от АЦП математически перемножаются с цифровыми выборками двух квадратурных сигналов, поступающими с выхода цифрового гетеродина. В отличие от аналоговых смесителей, которые создают много нежелательных компонент на выходе смесителя, цифровые смесители являются практически идеальными устройствами и формируют на выходе только два выходных сигнала суммарной и разностной частот. Использование цифровой ПЧ позволяет избежать проявления разбаланса квадратурных каналов, характерного для аналоговых каналов, что приводит к хорошему подавлению зеркального канала. Вместе с тем эта архитектура требует применения АЦП с широкой полосой пропускания.

3. Проектирование цифрового радиоприемного устройства

3.1. Общие соображения по разработке многостандартного радиоприемника

В связи с переходом к новым поколениям беспроводных систем пе-

редачи информации (4G, 5G) алгоритмы формирования и обработки

<<< < Предыдущая 1 23 / 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]